Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid (meist Kohlendioxid genannt) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenmonoxid) zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Seine chemische Formel ist CO₂.

Kohlendioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. Es ist mit einer Konzentration von ca. 0,04 % (derzeit 381 ppm entspr. 0,0381%) ein natürlicher Bestandteil der Luft und entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO₂ wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt sind Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen in der Lage, CO₂ durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Photosynthese aus anorganischem CO₂ Glukose. Atmungs-Kohlendioxid stellt den größten Teil des Anteils in der Luft.

3,2g/l bei 0°C 1,0 mg/l (0°C) R: -
S: 9, 23

Strukturformel
Kohlenstoffdioxid.jpg
Allgemeines
Name	Kohlendioxid
Andere Namen	Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoff(IV)-oxid
Summenformel	CO₂
CAS-Nummer	124-38-9
Kurzbeschreibung	farbloses, geruchloses Gas
Eigenschaften
Molmasse	44,0099 g/mol
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	1,98 kg/m³
Schmelzpunkt (Tripelpunkt)	-56,6 °C (bei 5,81 bar)
Sublimationspunkt	-78,5 °C
Dampfdruck	57,3 bar (20 °C)
Löslichkeit in Wasser (reines CO₂, 1 bar)	1,6 g/l (20°C)
Löslichkeit in Wasser (aus Luft, 1 bar)	0,5 mg/l (20°C)
kritische Temperatur	31 °C
kritischer Druck	74,0 bar
Wärmekapazität c_p	0,83 kJ/(kg K)
Wärmeleitfähigkeit	0,01457 W/(m·K)
Schallgeschwindigkeit	258 m/s
Sicherheitshinweise
R- und S-Sätze
MAK	5000 ppm
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Herstellung

Technisch

Technisch gewinnt man Kohlendioxid durch Verbrennen von Koks mit überschüssiger Luft oder als Nebenprodukt beim Kalkbrennen und anschließende Reinigung (z. B. Binden an Kaliumcarbonat zu Hydrogencarbonat und anschließendes Freisetzen durch Erhitzen).

Auch natürliche Gasquellen (Sprudel) werden zur Gewinnung genutzt.

Im Labormaßstab

Freisetzung aus Carbonaten (z. B. Calciumcarbonat) durch Säuren (z. B. Salzsäure).

Physikalische Eigenschaften

Das Kohlendioxid-Molekül ist linear aufgebaut. Obwohl die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen polar sind, heben sich deren elektrische Dipolmomente durch die Molekülsymmetrie nach außen hin gegenseitig auf, so dass das Molekül selbst kein elektrisches Dipolmoment aufweist. Dennoch ist Kohlendioxid aufgrund der inneren Dipolmomente gut in Wasser löslich und absorbiert einige schmale Teile des elektromagnetischen Spektrums im Bereich der Infrarotstrahlung.

Kohlendioxid findet im festen Aggregatzustand unter der Bezeichnung Trockeneis Anwendung in der Technik. Es schmilzt nicht, sondern sublimiert bei −78 °C. Allerdings kann man es unterhalb der kritischen Temperatur von 31 °C durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichten.

Chemische Eigenschaften

In Wasser gelöstes Kohlendioxid bildet Kohlensäure H₂CO₃, wobei aber mehr als 99% des Kohlendioxids nur physikalisch gelöst sind. Die Kohlensäure als solche liegt vor in einem Gleichgewicht mit ihren Dissoziationsprodukten (Spezies) Hydrogencarbonat ("Bicarbonat", HCO₃^–) und Carbonat (CO₃^2–), die in einem vom pH-Wert abhängigen Mengenverhältnis zueinander stehen. Fängt man die bei der Dissoziation gebildeten Oxonium-Ionen (H⁺, eigentlich H₃O⁺) durch Zugabe einer Lauge mit Hydroxidionen (OH^–) ab, so verschiebt sich das Mengenverhältnis zu Gunsten von Carbonat.

Verwendung

Bei der Sublimation von Trockeneis entsteht ein weißer Nebel aus dem kaltem CO₂-Luft-Gemisch und kondensierender Luftfeuchtigkeit, der als Effekt in der Bühnentechnik Einsatz findet.

Viele Getränke enthalten Kohlendioxid, um beim Trinken einen besseren Erfrischungseffekt zu erzielen. Bei manchen Getränken entsteht es durch Gärung (Bier, Sekt), bei anderen wird es künstlich zugesetzt (Limonade, Sodawasser) oder es wird kohlendioxidhaltiges, natürliches Mineralwasser verwendet. Als Lebensmittelzusatzstoff trägt es die Bezeichnung E 290. Bei der Herstellung wird Kohlendioxid unter hohem Druck in das Getränk gepumpt, wobei es zu etwa 0,2% mit Wasser zu Kohlensäure reagiert; der größte Teil ist als Gas im Wasser gelöst. Bei einem Druckabfall durch Öffnen des Gefäßes kommt es zu einer Nukleation, so dass das nun überschüssig gelöste Gas bläschenförmig austritt und aufsteigt. Die Bläschenbildung des Gases und der säuerliche Geschmack der Kohlensäure auf der Zunge beim Trinken stimulieren die Geschmackssinneszellen, was einen Erfrischungseffekt zur Folge hat.

Kohlendioxid kommt auch in Feuerlöschern zum Einsatz, da es Sauerstoff vom Brandherd verdrängt (siehe auch Brandbekämpfung, Löschmittel).

Kohlendioxid wird als Dünger in Gewächshäusern eingesetzt. Grund ist der durch den photosynthetischen Verbrauch entstehende CO₂-Mangel bei ungenügendem Nachschub an Frischluft, besonders im Winter bei geschlossener Lüftung, weil Pflanzen CO₂ als Grundsubstanz benötigen. Dabei wird das Kohlendioxid entweder direkt als reines Gas (relativ teuer) oder als Verbrennungsprodukt aus Propan oder Erdgas eingebracht (Kopplung von Düngung und Heizung). Die mögliche Ertragsteigerung ist abhängig davon, wie stark der Mangel an CO₂ ist und wie stark das Lichtangebot für die Pflanzen ist. Kohlendioxid wird auch in der Aquaristik als Dünger für Wasserpflanzen eingesetzt(CO₂-Diffusor). Auch durch Zufuhr von organischer Substanz kann der CO₂-Gehalt im Wasser erhöht werden (Veratmung, aber auf Kosten des Sauerstoff-Gehalts). (Siehe auch: Kohlenstoffdioxid-Düngung)

Überkritisches Kohlendioxid besitzt eine hohe Löslichkeit für unpolare Stoffe und kann giftige organische Lösemittel ersetzen. Es wird als Extraktionsmittel, zum Beispiel zur Extraktion von Naturstoffen wie Koffein (Herstellung von koffeinfreiem Kaffee durch Entkoffeinierung), und als Lösemittel zum Reinigen und Entfetten, zum Beispiel von Wafern in der Halbleiterindustrie und neuerdings auch von Textilien (Chemische Reinigung), verwendet. Aktuell wird auch intensiv daran geforscht, überkritisches Kohlendioxid als Reaktionsmedium für die Feinchemikalienherstellung (z.B.für die Herstellung von Aromastoffen) zu verwenden, da isolierte Enzyme hierin vielfach aktiv bleiben und keine Lösemittelrückstände (im Gegensatz zu organischen Lösemitteln) in den Produkten verbleiben.

In zunehmendem Maße kommt Kohlendioxid als natürliches Kältemittel in Klimaanlagen zum Einsatz.

Kohlendioxid wird auch als Schutzgas in der Schweißtechnik eingesetzt – entweder in reiner Form oder häufiger als Zusatz zu Argon und/oder Helium. Da Kohlendioxid bei hohen Temperaturen thermodynamisch instabil ist, wird es nicht als Inertgas, sondern als Aktivgas bezeichnet.

CO₂ wird auch in Abführmitteln (Zäpfchen) verwendet. Durch eine chemische Reaktion während der Auflösung des Zäpfchens wird CO₂ freigesetzt und dehnt den Darm, was wiederum den Stuhlreflex auslöst.

CO₂ in der Atmosphäre und Treibhauseffekt

Carbon Dioxide 400kyr.png | Entwicklung CO2 EU02.png | CO2 analyse.png

Der CO₂-Anteil in der Atmosphäre ist seit jeher beträchtlichen Schwankungen unterworfen, die verschiedenen biologischen, chemischen und physikalischen Ursachen entstammen. So lag er im Karbon vor ca. 300 Mio. Jahren wahrscheinlich bei mindestens 1400 ppm. Seit Beginn der Industrialisierung (ca. 1880) stieg der CO₂-Anteil in der Atmosphäre von ca. 280 ppm auf 380 ppm (2005) ^* und steigt z.Zt. weiter um durchschnittlich 1,5-2 ppm pro Jahr. Damit würde die höchste Konzentration seit mindestens 650.000 Jahren erreicht. Sehr frühe und Jahrmillionen zurückliegende geologische Epochen lassen sich in Bezug auf die Klimawirkung immer schwerer vergleichen, da sich der Sauerstoffanteil der Atmosphäre noch nicht stabilisiert hatte.http://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/rbin2_01/natur/Beitrag2/

Dieser Anstieg wird von vielen Wissenschaftlern im Wesentlichen den vom Menschen verursachten (anthropogenen) CO₂-Emissionen von jährlich ca. 32 Mrd. Tonnen bzw. ca. 8,5 Gt Kohlenstoff zugeschrieben World Resources Institute (WRI) / Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) (2005): Carbon Dioxide Emissions by Source 2005 (PDF), von denen etwa die Hälfte in der Atmosphäre verbleibt. Dies macht zwar nur kleinen Anteil des überwiegend aus natürlichen Quellen stammenden Kohlendioxids von jährlich etwa 550 Gt CO₂ bzw. 150 Gt C aus Intergovernmental Panel on Climate Change (2001): Climate Change 2001 – IPCC Third Assessment ReportCO₂-Kreislauf, doch der Nettofluss des natürlichen CO₂-Kreislaufes beträgt Null, wodurch die CO₂-Konzentration in den letzten 10.000 Jahren auch relativ konstant bei 280 ppmv geblieben ist. Die anthropogenen CO₂-Emissionen stellen dagegen einen reinen Zusatz da, der zum Teil von den natürlichen Senken kompensiert wird. Der andere Teil gelangt in die Atmosphäre und lässt die CO₂-Konzentration steigen.

Kohlendioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung), während kurzwelligere Strahlung, d.h. der größte Teil der Sonnenstrahlung, passieren kann. Diese Eigenschaft macht Kohlendioxid zu einem so genannten Treibhausgas. Zusammen mit Wasserdampf erhöht es die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von ca. -18°C auf +15°C und ist somit entscheidend für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich (natürlicher Treibhauseffekt).

Von der überwiegenden Mehrheit der Wissenschaftler wird die Meinung vertreten, dass eine vom Menschen verursachte Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre zum anthropogenen Treibhauseffekt führt, der einen Klimawandel (die globale Erwärmung) zur Folge hat. Einen wesentlichen Beitrag dazu leistet das CO₂, das durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle freigesetzt wird. Die globale Erwärmung ist von zahlreichen Folgen begleitet, deren Vermeidung oder Abfederung durch wirksamen Klimaschutz gewährleistet werden soll.

Allgemein ist in der Wissenschaft bereits seit den 1990er Jahren anerkannt, dass es eine Klimaveränderung gibt und dass die Ursache der Anstieg der Konzentration an Treibhausgasen in der Atmosphäre ist. Dieser anfänglich noch mit größeren Unsicherheiten verbundene Verdacht hat sich im Laufe der Forschungen immer mehr erhärtet und ist heute wissenschaftlicher Konsens.Oreskes, Naomi (2004): The Scientific Consensus on Climate Change, in: Science Vol. 306 vom 4. Dezember (PDF) Ohne Berücksichtigung der Treibhausgase sind die beobachteten Temperaturdaten nicht zu erklären.Meehl, Gerald A., Warren M. Washington, Caspar M Ammann, Julie M. Arblaster, T. M. L. Wigleiy und Claudia Tebaldi (2004): Combinations of Natural and Anthropogenic Forcings in Twentieth-Century Climate, in: Journal of Climate, Vol. 17, 1. Oktober, S. 3721-3727 (PDF)

Der zwischenstaatliche Klimaausschuss IPCC stellt regelmäßig den aktuellen Stand des Wissens über den Einfluss des Menschen auf das Klima in Sachstandsberichten dar. Anfang 2007 wird der Nachfolger zum Dritten Assessment Report von 2001 erwartet. Der Beitrag der CO₂-Freisetzung durch den Menschen zum Treibhauseffekt bzw. ob ein solcher nachweisbar ist, und damit die negativen Folgen, werden von Klimakritikern bestritten, die auch CO₂-Reduzierungs-Maßnahmen etwa als Belastung für die Volkswirtschaften ablehnen.

Den weltweit höchsten CO₂-Ausstoß pro Einwohner haben die USA, Kanada, Finnland, Tschechien und Belgien (Stand 2002), wobei in Zukunft auch die stark wachsende Industrie asiatischer Staaten eine wesentliche Rolle spielen wird.

Grundsätzlich besteht in der Politik über die Notwendigkeit zur Reduktion des CO₂-Ausstoßes inzwischen weitgehende Einigkeit. Zu diesem Zweck wurden bereits einige Maßnahmen installiert, die jedoch von vielen als nicht ausreichend angesehen werden und auch in ihrer Ausgestaltung teilweise heftig umstritten sind: International existiert das 2005 in Kraft getretene Kyoto-Protokoll, allerdings ohne Beteiligung einiger wichtiger Industriestaaten wie der USA, sowie auf dessen Grundlage der Emissionsrechtehandel in der Europäischen Union. Auch manche Methoden der Emissionsvermeidung bzw. -bindung wie CO₂-Sequestrierung und Aufforstung werden kontrovers diskutiert.

Physiologische Wirkungen und Gefahren

CO₂-Konzentrationen (vol-%) in Luft und Auswirkungen auf den Menschen:

0,038%: Natürliche Konzentration in der Luft
0,15%: Hygienischer Innenraumluftrichtwert für frische Luft
0,3%: MIK-Wert, unterhalb dessen keine Gesundheitsbedenken bei dauerhafter Einwirkung bestehen
0,5% (9 g/m³): MAK-Grenzwert für tägliche Exposition von 8 Stunden pro Tag
1,5%: Zunahme des Atemzeitvolumens um mehr als 40%.
4%: Atemluft beim Ausatmen
5%: Auftreten von Kopfschmerzen, Schwindel und Bewusstlosigkeit
8%: Bewusstlosigkeit, Eintreten des Todes nach 30 - 60 Minuten

Immer wieder kommt es zu Unfällen mit CO₂. In Weinkellern, Futtersilos und Jauchegruben können sich durch Gärprozesse beträchtliche Mengen an CO₂ bilden. Bei der Vergärung von einem Liter Most (Apfelwein) entstehen etwa bis zu 50 Liter Gärgas. Wenn nicht für ausreichende Entlüftung gesorgt ist, bilden sich gefährliche Konzentrationen, und zwar aufgrund der höheren Dichte von CO₂ im Vergleich zu Luft vor allem in Bodennähe ("Kohlendioxid-See").

Die direkte Schadwirkung auf Tier und Mensch kann im Einzelfall auf der Verdrängung des Sauerstoffes in der Luft beruhen. Die weit verbreitete Ansicht, CO₂ sei an sich unschädlich und wirke nur durch Verdrängen des lebensnotwendigen Sauerstoffs, ist jedoch falsch. Daher ist auch die alte "Kerzenprobe" zum Erkennen von gefährlicher Sauerstoffknappheit nicht zielführend. Durch die Verdrängung der Luft (Absinken des O₂-Partialdrucks auf weniger als 130 mbar) durch das schwerere Kohlendioxid kann es aber zusätzlich zu den schädlichen Wirkungen des CO₂ auch zum Ersticken durch Sauerstoffmangel kommen.

Im Blut gelöstes CO₂ aktiviert in physiologischer (natürlicher) und leicht gesteigerter Konzentration das Atemzentrum des Gehirns, in deutlich höherer Konzentration führt es jedoch zur Verminderung oder sogar Aufhebung des reflektorischen Atemanreizes (Atemdepression, Atemstillstand). Diese Wirkungen treten viel rascher ein als eine Erstickung.

Ab etwa 5 Prozent CO₂ in der eingeatmeten Luft treten Kopfschmerzen und Schwindel auf, bei höheren Konzentrationen beschleunigter Herzschlag (Tachykardie), Blutdruckanstieg, Atemnot und Bewusstlosigkeit (die so genannte CO₂-Narkose). CO₂-Konzentrationen von 8 Prozent und mehr führen innerhalb von 30 bis 60 Minuten zum Tod.

Zusätzlich hat Kohlendioxid eine indirekte Wirkung auf den Sauerstoffhaushalt des Blutes. Befindet sich vermehrt Kohlendioxid in der Luft oder im Fischwasser, so wird im Blut über das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure der pH-Wert vermindert - das Blut wird "sauerer". Von diesem Absinken des pH-Werts ist das Hämoglobin betroffen. Bei niedrigerem pH-Wert verringert sich seine O₂-Bindungskapazität. Das heißt, bei gleichem O₂-Gehalt der Luft kann vom Hämoglobin weniger Sauerstoff gebunden und transportiert werden. Dieser Sachverhalt wird durch den Bohr-Effekt und den Haldane-Effekt beschrieben. Im Gewebe, wo ja der Sauerstoff abgegeben werden soll, ist die Konzentration von CO₂ höher (=niedriger pH-Wert, geringere O₂-Bindungskapazität) und erleichtert damit die O₂-Abgabe. In der Lunge sind die Verhältnisse umgekehrt und begünstigen so das "Beladen" des Hämoglobins mit Sauerstoff.

Dieser indirekte Effekt über den pH-Wert des Blutes ist von der stärkeren Giftigkeit des Kohlenstoffmonoxid zu unterscheiden. Kohlenstoffmonoxid maskiert als Komplexbildner reversibel den Eisenkern des Hämoglobin und verhindert dadurch die Bindung von Sauerstoff in den roten Blutkörperchen. Dies ist ein anderer (wirksamerer) molekularer Mechanismus als beim Kohlenstoffdioxid.

Immer wieder fallen ganze Familien einer Gärgasvergiftung zum Opfer, weil mehrere Personen bei der Rettung eines Familienmitglieds selbst Kohlendioxid einatmen und bewusstlos werden. Der Ersthelfer begibt sich mit einem Rettungsversuch nur selbst in Gefahr – niemand kann mit angehaltenem Atem einen Bewusstlosen aus einem Keller tragen. Stattdessen ist eine Belüftung (falls vorhanden) einzuschalten und ein Notruf abzusetzen.

Die Rettung eines Verunglückten aus CO₂-verdächtigen Situationen (Weinkeller usw.) ist nur für professionelle Einsatzkräfte (Feuerwehr) mit umluftunabhängigem Atemschutz möglich.

In seltenen Fällen kommt es auch zu Naturkatastrophen mit Kohlendioxid; die bekannteste ereignete sich 1986 am Nyos-See in Kamerun.

Siehe auch

Literatur

Eike Roth: Globale Umweltprobleme - Ursachen und Lösungsansätze. Friedmann, München 2004. (Treibhauseffekt, einschließlich seiner Verursachung und Diskussion des anthropogenen Einflusses.) ISBN 3-933431-31-X
Pörtner: Auswirkungen von CO2-Eintrag und Temperaturerhöhung auf die marine Biosphäre (pdf 1,3 MB, 85 S.)

Weblinks

http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/csaeure/kohlensaeure.htm
http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBwerkstoffmaterialsubstanz/Kohlendioxid.php
http://www.dehst.de
http://www.eex.de

Quellen

Chemische Verbindung | Gas | Umweltschutz | Löschmittel | Klimatologie

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